现代仪器分析-紫外可见吸收光谱分析-2011

第3章紫外-可见吸收光谱分析内容介绍：1概述（信号和信息的特征）2紫外-可见分光光度计的基本组成与结构3紫外-可见吸收光谱法的基本实验技术4

紫外-可见吸收光谱的应用1概述（信号和信息的特征）1.1紫外-可见光谱的产生1.2分子吸收曲线1.3紫外吸收光谱分析法1概述（信号和信息的特征）1.1紫外可见吸收光谱:分子价电子能级跃迁。波长范围：100-800nm.(1)远紫外光区:10-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm（760nm）250300350400nm1234eλ

可用于结构鉴定和定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。1概述（信号和信息的特征）1.2电子跃迁与分子吸收光谱物质分子内部三种运动形式：1.电子相对于原子核的运动；2.原子核在其平衡位置附近的相对振动；3.分子本身绕其重心的转动。

分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr1概述（信号和信息的特征）讨论：（1）

转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱；1概述（信号和信息的特征）讨论：

（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；（5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。1概述（信号和信息的特征）1.3有机物吸收光谱与电子跃迁（P24-25）有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH分子轨道：是指在分子中各原子核的周围最可能找到给定电子的区域。1概述（信号和信息的特征）①σ→σ＊跃迁

特点：所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；含有C-C,C-H键的饱和烷烃的分子产生的跃迁。吸收光谱出现在远紫外区,吸收波长λ<200nm；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。①只能被真空紫外分光光度计检测到；

②多数作为溶剂使用（水、甲醇等）；

当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊：按其理论：成键轨道—反键轨道及非键轨道（五种轨道）1概述（信号和信息的特征）②n→σ＊跃迁特点：所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。

含N、O、S和卤素等杂原子饱和烃衍生物均呈现n→σ*跃迁。ε＝100～1000sp*s*RKE,BnpE1概述（信号和信息的特征）③n→π﹡跃迁sp*s*RKE,BnpE特点：所需能量较小。吸收波长为200～700nm，既含有c﹦c双键，又含有N、O、S和卤素等杂原子的有机分子。ε＝10～1001概述（信号和信息的特征）④π→π＊跃迁

特点：所需能量较小，含有C＝C、C＝O、C≡C有机分子的跃迁，吸收波长在远紫外区的近紫外端或近紫外εmax≈104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。生色团：

要求有机物分子中含有不饱和键和孤对电子对的基团，能对光子进行吸收并产生电子跃迁的称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。（最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。）什么是共轭体系？什么是共轭效应？（补）

不饱和键（双键或叁键）与单键彼此相间所组成的体系称为共轭体系。共轭体系中，相邻π电子的相互重叠，使共轭体系中各键上的电子云密度发生了平均化，因此相邻单键及重键间的区别也部分或全部的消失，共轭体系中这种原子间的影响称为共轭效应（或电子通过共轭体系的传递方式称为共轭效应）。这种效应可归结于共轭体系中π电子高度离域的结果。共轭体系可分为π-π*共轭体系、n-π共轭体系、σ-π共轭体系和σ-σ共轭体系四类。

共轭体系中的某一个原子受到外界试剂的作用时，其它部分马上可以受到影响，无论距离的远近，这是因为n电子在整个分子中的离域现象而引起的。基----母体生色团的最大吸收波长二烯母体：

max=217nm

▲共轭烯烃（不多于四个双键）

*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德——菲泽

规则估算。

max=基+nii

▲niI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项

(1)每增加一个共轭双键+30nm（主要考虑）(2)环外双键(直接与环相连的双键）+5nm

(3)双键上取代基：酰基（-OCOR）0卤素（-Cl，-Br）+5nm烷基（-R）+5nm烷氧基（-OR）+6nm1概述（信号和信息的特征）助色团：

有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、NH等)，它们本身没有生色功能，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。1概述（信号和信息的特征）红移与蓝移/增色效应和减色效应

有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。1概述（信号和信息的特征）⑤有机物电荷转移吸收光谱及配位场跃迁：

电荷转移跃迁：指受光的照射后，分子中电子从给体部分向内部的受体部分的轨道上跃迁，相应的吸收光谱称为电荷转移吸收光谱。[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+电子接受体电子给予体实质是分子内氧化还原反应；>104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。配位场跃迁：是过渡金属元素的无机物在紫外可见区产生的吸收，主要是形成络合物。1概述（信号和信息的特征）1.4分子吸收曲线E=E2-

E1=h量子化；选择性吸收吸收曲线与最大吸收波长max用不同波长的单色光照射，测吸光度;M+热M+荧光或磷光M+

h

→M*基态激发态E1（△E）E2M

+h

1概述（信号和信息的特征）吸收曲线的讨论：①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。

改变通过某一吸光物质的入射光波长，记录物质在不同波长处的吸光度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，这种图称为该物质的吸收曲线

1概述（信号和信息的特征）③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。吸收曲线的讨论：1概述（信号和信息的特征）紫外吸收光谱分析法（UV-VIS）

定义：利用分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，对该物质进行结构分析（定性分析），根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。紫外吸收可见光谱法的特点：1.研究的区域是紫外可见光谱区域，所发射的能量可以使外层电子发生跃迁。2.该方法可用于无机有机物的定量分析，也可进行有机物的定性及结构分析。3.具有较高的灵敏度（10-4～10-7g.mL-1）和较高准确度（相对误差2%-5%）2紫外-可见分光光度计的基本组成与结构内容：2.1基本组成（功能及类型）2.2紫外-可见分光光度计的类型2.1基本组成generalprocess①光源

在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在350～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射160～360nm的连续光谱。氙弧灯：紫外可见区光源单色器样品室检测器显示分光系统光度计系统②单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；

色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝2.1基本组成generalprocessⅠ棱镜：棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；

棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；色散元件棱镜的特性与参数（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ对波长的变化率：

棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；

线色散率：用dl/dλ表示，两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率；倒线色散率：用dλ/dl表示。

相邻两条谱线分开程度的度量：：两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。（2）分辨率

若要增加棱镜角色散率，可以采用下列办法：①增加棱镜的数目

使用这种办法时，要考虑成本和光强减小的问题。

②增大棱镜的顶角这种办法将受到入射角大于临界角时发生全反射的限制。例如，对于棱镜，当顶角等于65时，紫外线就不能折射出来，所以其顶角一般为60。

③改变棱镜的材料

即改变dn/d。在400nm~800nm波长范围内，玻璃棱镜比石英棱镜的色散率大。但在200nm~400nm的波长范围内，由于玻璃强烈地吸收紫外光，无法采用，故只能采用石英棱镜。Ⅱ、光栅：使用光栅作为分光元件的优点是：①波长范围比玻璃棱镜宽；②反射光束强度对波长的依赖性比棱镜的透射光束要小得多；③光栅的角色散率几乎不随波长而变化，近似于均匀色散；④分辨率大，一块宽50mm刻槽数为1200条/mm的光栅，分辨率可达6×104。⑤集光能力强，用优质的闪烁光栅可将80%以上的光能量聚集到所需要的波长范围。色散元件反射光栅，透射光栅：

光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2紫外-可见分光光度计的基本组成与结构

如果：

DB-AC=d(sinα±sinθ)=nλ

即光栅公式：d(sinα±sinθ)=nλα角规定取正值，如果θ角与α角在光栅法线同侧，θ角取正值，反之区负值；当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。

可看到：一级光谱的1200nm与二级光谱的600nm、三级光谱的400nm、四级光谱的300nm、五级光谱的240nm、六级光谱的200nm叠加在一起。实验上必须予以分离才能正确测量光谱信号。分离的方法有两类：一类，利用滤光器，用于低级光谱分离；另一类，采用预色散器，用于高谱级分离。

光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数d和光谱级数n，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。

角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。

f为会聚透镜的焦距。

光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定：

等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；光栅的线色散率

光栅的分辨率R

等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。

宽度50mm，N=1200条/mm，

一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×104光栅的分辨率R狭缝:两边的边缘应锐利且位于同一平面上。

单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。

分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最小间隔的大小用光谱有效带宽表示：

S=DWD为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；①

在原子发射光谱分析中，定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。②在原子吸收光谱分析中,一般原则是,在不引起吸光度减小的情况下,采用尽可能小的狭缝宽度(降低火焰背景）。

③试样装置（样品室）

光源与试样相互作用的场所（1）吸收池紫外-可见分光光度法：比色皿（2）特殊装置原子吸收分光光度：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态→原子；原子发射光谱分析：试样喷入等离子体；红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片详细内容在相关章节中介绍。2.1基本组成generalprocess④检测器光电检测器，主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；

检测原理：当一定强度的光照射到阴极上时，光敏物质要放出电子，放出电子的多少与照射到它的光的大小成正比，而放出的电子在电场的作用下要流向阳极，从而造成在整个回路中有电流通过。而此电流的大小与照射到光敏物质上的光的强度的大小成正比。这就是光电管产生光电效应的原理。2.1基本组成generalprocess硒光电池

硒光电池：光电管：它是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个电极构成，其结构如图：1光电管的阳极，它由一个镍环或镍片组成；2光电管的阴极，它由一个金属片上涂一层光敏物质构成，如涂上一层氧化铯。涂上的光敏物质具有这样一个特性：当光照射到光敏物质上时，它能够放出电子；3电池，其作用是在阴、阳极之间加上一电压；4放大器，放大由光电管产生的电信号；1234红敏管625-1000nm蓝敏管200-625nm光电倍增管1个光电子可产生106～107个电子光电倍增管：它是一个非常灵敏的光电器件，可以把微弱的光转换成电流。其灵敏度比前2种都要高得多。它是利用二次电子发射以放大光电流，放大倍数可达到108倍。

热导检测器，主要有：

真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；热释电检测器：⑤信号、与数据处理系统

现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；2.1基本组成generalprocess2.2紫外-可见分光光度计的类型1.单光束

特点：

结构简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2.双光束

自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。2.2紫外-可见分光光度计的类型3.双波长光源发出的光被分为两束，分别经过两个单色器，获得两束不同波长的单色光，将两束单色光(λ1、λ2)快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。对于多组分混合物或存在背景及共存物的干扰的溶液适用，灵敏度高，选择性强。2.2紫外-可见分光光度计的类型仪器紫外-可见分光光度计2.3紫外-可见吸收光谱法的基本实验技术内容：2.3.1分光光度计的性能调试2.3.2分光光度计的校正2.3.3分析条件的选择2.3.1分光光度计的性能调试波长范围

波长准确度波长精确度单色光带宽杂散光强度实现分析项目的能力分析的准确度分析的精确度分析的准确度

分析的检测限信噪比分析的检测限1、光度计的性能指标：2.性能指标对分析的影响波长准确度（波长误差）：仪器所指示的波长值和单色器实际输出单色光的波长值之间相符的程度（两值之差）。影响定性分析：直接关系到光谱吸收峰的位置定量分析：影响测定值测叶绿素B，波长偏差1-2nm,测量结果偏差10-20％ε随波长变化越快，对测量结果影响越大2.3.1分光光度计的性能调试单色光带宽的影响：

杂散光的影响：杂散光会造成分光光度计的测量本底，影响浓度的检测限。在高吸光度时，杂散光引起的相对误差比低吸光度时要大得多。单色光带宽决定了仪器的波长分辨率精确的定性、定量分析，要求单色光的带宽相当于样品吸收峰的1/5~1/10。2.3.1分光光度计的性能调试2.3.2分光光度计的校正吸收池校正：在测定溶液的吸光度时，除了待测物质吸收使透过光减弱外，吸收池中的反射、散射等也会影响透过光的强度，因此，进行定量分需进行吸收池的配对和校正。方法：在吸收池A内装入试样溶液，在吸收池B内装入参比溶液，测量试验的吸光度，然后倒出吸收池内的溶液，洗净吸收池。再分别在吸收池A内装入参比溶液，往吸收池B内装入试样溶液，测量吸光度。要求前后两次测得的吸光度值应小于0.005。2.3.2分光光度计的校正2.整机校正（动态）步骤：第一步调零点把光源的光挡住，在检测器不见光的条件下，将输出调为零。第二步调满刻度在样品池中放入样品中除待测成分以外的背景成分，再将仪器的输出调为100％。2.3.3分析条件的选择1.光源的调节通过灯电流和灯位置的调整，充分发挥光源的强度，

使单色器获得最大光强。2.测量波长的选择

一般情况下，为了使测定结果有较高的灵敏度，分析用的单色光应选择被测定物质溶液的最大吸收波长，以得到较大的吸光度值，且受分析波长误差的影响较小。但有时也根据分析要求选择。

例如：共存杂质干扰；样品浓度差异等2.3.3分析条件的选择3.狭缝的调节狭缝宽度直接影响测定的灵敏度和校正曲线的线性范围。调节原则：⑴依据测定灵敏度，能保证吸光度不明显降低时的最大狭缝宽度就是应该选择的最合适的宽度。⑵依据待测物质在拟选择波长附近吸收光谱的斜率变化，如果斜率变化较大，应适当调小狭缝宽度。sΔλ灵敏度线性破坏

；s信号强度信噪比Δλ=s/dl/d入2.3.3分析条件的选择

由于仪器光源的不稳定性、读数的不确定性和杂散光的影响，都会给测定带来误差。当分析高浓度样品时，误差更大。为了减小误差，一般应控制吸光度在0.2~0.7的范围。方法：控制浓度和光程4.控制适宜的吸光度范围5.参比溶液的选择：

参比溶液应包括待测成分以外的全部背景成分,以消除由于样品池壁及溶剂等背景成分对作用光的反射和吸收带来的误差。2.3.3分析条件的选择显色剂的作用：⑴可使在谱区没有吸收的物质生成有强烈吸收的产物。⑵可使某些低吸收物质的吸光系数比未结合前增大几个数量级，提高测定灵敏度。显色剂要求：灵敏度高、稳定性好、选择性强。显色剂的选择:使被测物质显色生成有色化合物的试剂称显色剂6.显色反应

2.4紫外-可见吸收光谱的应用1.化合物纯度的鉴定如果某一化合物在紫外区无吸收峰,而杂质有较强的吸收峰,则可用紫外吸收光谱法检出该化合物中的痕量物质。2.未知物的定性鉴定（对比法）

一般可通过对未知样品所作的光谱与文献记载的标准光谱加以比较（相同的测试条件）。若相同，则可能为同一化合物。

有机化合物的紫外吸收光谱反映结构中生色团和助色团团的特性，不完全反映分子特性。3.分子结构判断：定性分析2.4紫外-可见吸收光谱的应用光谱解析确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；在解析有机物的紫外-可见光谱时，可把吸收带分为四类：R吸收带

n→π﹡跃迁产生的较弱K吸收带π→π﹡跃迁产生的强B吸收带是芳香族化合物（包括杂环芳香族）的特征吸收带E吸收带也是芳香族化合物的特征谱带，苯为184nm和204nm2.4紫外-可见吸收光谱的应用

（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。

（2）

270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮n→π*跃迁产生的R带。

（3）

250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。

（4）

200-250nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230nm）；不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。（5）紫外光谱中有许多吸收峰，有的在可见区域；该化合物可能具有长链共轭体系或稠环芳香生色团

1.位阻影响：化合物中若有两个生色团产生共轭效应，吸收带红移，但若两生色团由于立体结构阻碍他们处于同一平面，就会影响共轭效应。顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm

乙苯乙稀乙烯丙酮影响吸收的因素（4点）：立体结构和互变结构的影响2.溶剂的影响非极性极性n

np

n<p

n

p

非极性极性n>p①n

→

*跃迁：兰移；

；

②→*跃迁：红移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238239243n329315309305**溶剂的影响1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

非极性→极性n→*跃迁：兰移；；→*跃迁：红移；；③极性溶剂使精细结构消失；4.体系pH值的影响：无论是对酸性、碱性或中性样品都有明显影响。

加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl兰移→苯胺类化合物。3.跨环效应：①在有些β、γ不饱